Aprovechamiento del calor residual a baja temperatura mediante bombas de calor para la producción de agua caliente

Abstract

[ES] Un porcentaje significativo de la energía se destina a la producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) en el sector comercial y residencial. Además, la mayor parte de la energía que contiene el agua se desperdicia en el ambiente tras su uso. Las bombas de calor han sido identificadas por su capacidad de producir ACS con una alta eficiencia y son una gran alternativa hacia la descarbonización de las ciudades. Además, son capaces de utilizar como fuente de calor, el calor contenido en el agua que actualmente se desperdicia. Sin embargo, la aplicación del uso de bombas de calor para ACS recuperando el calor de las aguas residuales presenta unas características diferentes a las usuales en bombas de calor. Por tanto, es necesario un análisis del problema más profundo y se require mayor investigación al respecto con el fin de lograr un desarrollo eficiente de la misma: 1. Un diseño de bomba de calor capaz de operar con alta eficiencia ante los grandes saltos de temperatura que tienen lugar en esta aplicación (ACS). 2. Un diseño de bomba de calor capaz de operar con alta eficiencia ante saltos de temperatura del fluido secundario variables (recuperación de calor). 3. La integración de esta bomba de calor en un sistema de ACS completo (estrategias de recuperación de calor, componentes, tamaño y estrategia de control). Normalmente, los ciclos transcríticos han sido considerados como una de las mejores soluciones para la producción de ACS (donde se tienen grandes saltos de temperatura en el agua, 10-60°C). Sin embargo, este tipo de ciclo presenta dos desventajas principales, la necesidad de altas presiones en la instalación y la dependencia de la eficiencia con el salto de temperatura del agua en el condensador. Sin embargo, los ciclos subcríticos han demostrado un gran potencial para saltos de temperatura del agua variables si se aplica un control del subenfriamiento adecuado. El objetivo de esta tesis es investigar la bomba de calor agua-agua más eficiente trabajando con un ciclo de refrigerante subcrítico para la producción de ACS utilizando como fuente de calor el calor disponible en las aguas residuales (a baja-media temperatura) para determinar el sistema más eficiente para este tipo de aplicación. El trabajo se divide en dos partes diferenciadas: ¿ Diseño de la bomba de calor El desarrollo de la bomba de calor es una continuación del trabajo realizado en la tesis de M. Pitarch [1]. En dicha tesis, se investigó el papel del subenfriamiento en una bomba de calor subcrítica para la apliación de ACS. Se desarrolló un prototipo de bomba de calor con el diseño de dos configuraciones distintas en función del modo en el que se realizaba el subenfriamiento. Los resultados permitieron concluir que este tipo de bombas de calor (subcríticas) eran capaces de operar con eficiencias similares a las de las bombas de calor basadas en ciclos transcríticos si se opera con un grado de subenfriamiento óptimo. Sin embargo, en ambas configuraciones se requiere un componente más que en las bombas de calor convencionales. En esta tesis, se ha realizado un estudio y análisis teórico de la bomba de calor. Se ha desarrollado e implementado una estrategia de control para el subenfriamiento y se ha construído el prototipo de bomba de calor propuesto en [1]. De todo este trabajo se ha obtenido el diseño de bomba de calor basada en ciclos subcríticos más interesante para este tipo de aplicaciones. ¿ Diseño e integración de la Bomba de Calor y el sistema de ACS La integración del prototipo seleccionado en un sistema para la producción de ACS con recuperación del calor de las aguas residuales ha sido analizada.El sistema más simple y eficiente necesario para este tipo de aplicaciones (producción de ACS con recuperación de calor de las aguas grises) se compone de un intercambiador de calor (recuperador), una bomba de calor con subenfriamiento optimizado y dos depósitos de almacenamiento.

[CA] Un percentatge significatiu de l'energia es destina a la producció d'Aigua Calenta Sanitària (ACS) en el sector comercial i residencial. A més, la major part de l'energia que conté l'aigua es malgasta en l'ambient després del seu ús. Les bombes de calor han sigut identificades per la seua capacitat de produir ACS amb una alta eficiència i són una gran alternativa cap a la descarbonització de les ciutats. A més, són capaços d'utilitzar com a font de calor, el calor contingut en l'aigua que actualment es desaprofita. Contribuint així, a aconseguir un sector energètic més respectuós amb el Medi Ambient. No obstant això, l'aplicació de l'ús de bombes de calor per a ACS recuperant el calor de les aigües residuals presenta unes característiques diferents de les usuals en bombes de calor. Per tant, és necessari una anàlisi del problema més profund i es requereix una major investigació al respecte amb la finalitat d'aconseguir una alta eficiència: 1.Un disseny de bomba de calor capaç d'operar amb alta eficiència davant dels grans salts de temperatura presents en aquesta aplicació (ACS). 2.Un disseny de bomba de calor capaç d'operar amb alta eficiència davant de salts de temperatura del fluid secundari variables (recuperació de calor). 3.La integració d'aquesta bomba de calor en un sistema d'ACS complet (estratègies de recuperació de calor, components, grandària i estratègia de control). Normalment, els cicles transcrítics han sigut considerats com una de les millors solucions per a la producció d'ACS (on es tenen grans salts de temperatura en l'aigua, 10-60°C). No obstant això, aquest tipus de cicle presenta dos desavantatges principals, la necessitat d'altes pressions en la instal·lació i la dependència de l'eficiència amb el salt de temperatura de l'aigua en el condensador i evaporador. L'objectiu d'aquesta tesi és investigar la bomba de calor aigua-aigua més eficient treballant amb un cicle de refrigerant subcrític per a la producció d'ACS utilitzant com a font de calor el calor disponible en les aigües residuals (a baixa-mitja temperatura) per a determinar el sistema més eficient en aquest tipus d'aplicació. El treball es dividix en: ¿ Disseny de la bomba de calor El desenvolupament de la bomba de calor és una continuació del treball realitzat en la tesi de M. Pitarch [1]. En aquella tesi, es va investigar el paper del subrefredament en una bomba de calor subcrítica per a l'apliació d'ACS. Es va desenvolupar un prototip de bomba de calor amb el disseny de dues configuracions distintes en funció de la manera en què es realitzava el subrefredament. Els resultats van permetre concloure que aquests tipus de bombes de calor (subcrítiques) eren capaços d'operar amb eficiències semblants a les de les bombes de calor basades en cicles transcrítics si s'opera amb un grau de subrefredament òptim. No obstant això, en ambdues configuracions es requereix un component més que en les bombes de calor convencionals. En la present tesi, es va realitzar un estudi i anàlisi teòric de la bomba de calor. Es va desenvolupar i implementar una estratègia de control per al subrefredament i es va construir el prototip de bomba de calor proposat en [1]. De tot aquest treball s'ha obtingut el disseny de bomba de calor basada en cicles subcrítics més interessant per aquest tipus d'aplicacions. ¿Disseny i integració de la Bomba de Calor i el sistema d'ACS La integració del prototip seleccionat en un sistema per a la producció d'ACS amb recuperació de el calor de el calor de les aigües residuals ha sigut analitzada.El sistema més simple i eficient necessari per a aquest tipus d'aplicacions (producció d'ACS amb recuperació de calor provinent d'aigües grisas) està compost per un bescanviador de calor (recuperador), una bomba subrefredada i dos depòsits d'emmagatzemament.

[EN] A significant percentage of energy is destined to produce Domestic Hot Water (DHW) within the building sector. Furthermore, most of that energy contained in the water is wasted to the ambient after its use. Heat pumps have been clearly identified as an efficient technology for DHW production, and as a main vector towards future de-carbonization of cities. In addition, they could use the heat from the wastewater as a heat source. Thus, contributing in two ways towards a more environmentally friendly energetic sector. However, the use of heat pumps for DHW recovering heat from wastewater faces several challenges that require further analysis and development: 1. A heat pump design capable to operate with high performance when variable secondary temperature lifts at the heat sink take place. 2. A heat pump design capable to operate with high performance when variable secondary temperature lifts at the heat source take place. 3. The integration of the heat pump within a system (heat recovery strategies, components, sizing, operation strategy). Usually, transcritical cycles have been considered the most suitable cycle for DHW production (high temperature lifts of the heat sink, 10-60°C). However, this cycle involves several drawbacks as for instance the requirement of high pressures in the installation or a significant reduction of the performance with the increase of water inlet temperature at the condenser. Instead, subcritical cycles have demonstrated great potential for DHW applications if a proper control of subcooling is performed. The objective of this thesis is to investigate the most efficient water-to-water heat pump working with a subcritical cycle for DHW production using as a heat source wasted heat at medium-low temperature and to determine the most efficient system based on heat pumps for this application.

The work is divided in two differentiated parts: ¿ Heat pump concept This development is a continuation from the PhD work of M. Pitarch [1]. In that PhD work, the role of the subcooling in the performance of a subcritical heat pump for DHW applications was investigated. Two different configurations of a heat pump prototype were designed based on the way subcooling was made. The results showed that a subcooling optimized subcritical heat pump was able to provide comparable performance than present HPs employing transcritical cycles. However, both configurations require one more component than usual heat pumps. Thus, a new prototype based only on the typical components (compressor, condenser, expansion valve and evaporator) was proposed as future work. In this thesis, a theoretic analysis of the heat pump was done. A subcooling control methodology was developed and tested. The proposed prototype in [1] has been built and characterized. From all the results, the most convenient heat pump design was obtained. ¿ Integral Heat pump-DHW system The integration of the most convenient heat pump prototype within a system for the DHW production based on heat recovery from wastewater has been analyzed. The research has included the development of a model of the entire system in Trnsys and the optimization of the main components of the system: their sizing and their operation with the objective of reaching the maximum global efficiency of the complete system. Due to the complexity of the problem, the analysis was performed in three main steps: first, a study of the direct heat exchange,second, an study focusing on the condenser side, that is, the consideration of an infinite heat source (large availability of sewage water for instance) and third, the focus was done on the evaporator side. That is, the optimization of the complete system in which a finite heat source is considered (grey waters collected from the building for instance). The simplest and most efficient system required in DHW production and heat recuperation from wastewater has been determined.